環保型可循環利用BIODRILL A水基鉆井液評價與應用*

雷志永 郭 磊 耿 鐵 陳 強

(中海油田服務股份有限公司油田化學事業部 天津 300459)

在海洋石油鉆井過程中，環境保護一直是作業者所關注的重點，除了滿足安全鉆井需求，還要求鉆井液環保達標才能獲得作業許可[1]。國家標準GB 4914—2008[2]和GB 18420.1—2009[3]允許鉆井作業中排放部分非儲層段且滿足環保法規要求的水基鉆井液，以減輕存儲轉運壓力。但隨著勘探開發進程加快，海上油氣田鉆井頻次迅猛上漲，即便滿足環保要求，鉆井液中的大量懸浮物對海洋環境仍然造成了很大影響[4]。為此，新修訂的《中華人民共和國環境保護法》加強了監管力度，嚴格控制了海上鉆完井過程中井筒流體排放的量，表明了逐步朝“零排放”發展的決心，大大增加了海上油田減排壓力[5]。

國外油田在面臨減排壓力情況下，通常使用油基、合成基等非水基流體作業以保證重復利用效率，從源頭減少鉆井液處理量[6]。中國雖然近些年在頁巖氣井和其他復雜井開發中應用油基鉆井液居多[7]，但海上受廢棄鉆井液及鉆屑處理等配套設施不完善的影響，還未得到大面積推廣，仍然以水基鉆井液為主。常用的水基鉆井液回收利用技術都局限于固液分離，受鉆井液膠體穩定性影響，存在能耗大、效果差、費用高等問題[8-11]。而渤海油田因作業需求，需要先用海水膨潤土漿從淺層(200～400 m)開鉆，深鉆超過1 000 m，然后轉化成聚合物體系，無疑增大了回收處理量。若要實現“零排放”，必須從淺層開始直接使用配套水基鉆井液體系鉆進，再借鑒油基鉆井液重復利用技術[12-14]進行統一回收利用，這就要求體系克服淺部軟泥巖地層強分散和強膨脹的問題和平臺固控條件受限且鉆井液過篩性不足導致固相含量升高引起增稠的問題。

為此，室內開展了環保型可循環利用水基鉆井液研究，解決了常規水基鉆井液過篩性能不足和耐泥巖污染性能差的問題，提高了鉆井液活性固相容量限，并在渤海油田現場應用46口井，實現了水基鉆井液連續可循環利用，大幅減少了單井鉆井液用量，為實現渤海油田全面“零排放”奠定了堅實基礎。

1 可循環利用技術原理

為實現渤海油田水基鉆井液的可循環利用，必須保證體系具備優良的抗鉆屑污染性能、優質的包被抑制性能和過篩性能，以控制較低的固相含量和保持鉆井液流變穩定。基于此構建了環保型可循環利用BIODRILL A水基鉆井液體系，該體系構成簡單，功能單一：

1) 從無土相著手為研制適合淺部軟泥巖地層作業的水基鉆井液奠定基礎，以提高鉆井液活性固相容量限，且所用處理劑均采用可生物降解，無生物毒性材料，保證環保性能。

2) 采用PF-BIOVIS為增黏提切劑，通過其與淀粉PF-FLOTROL的交聯協同作用形成網架結構，然后利用聚陰離子纖維素PF-PAC-LV護膠作用協同降低濾失量。

3) 結合可循環利用技術要點，一方面采用環保抑制劑BIOTROL提高鉆井液的抑制性，使其具備類油基鉆井液的強抑制性，防止泥巖水化，提高耐泥巖污染性能，利用化學手段穩定鉆井液流變；另外一方面，開發新型低分子量易降解包被劑BIOCAP，兼顧鉆井液包被抑制性能和過篩性能，同時配合“高目數篩布+高頻離心機+除泥除砂器”構成高效固控手段有效清除劣質固相，配套使用物理機械手段以確保鉆井液流變性能穩定。

4) 采用無機鹽NaCl來降低體系活度，提高體系防腐能力，防止鉆井液變質以便循環利用。

5) 針對不同區塊不同地層，通過菜單式管理方法，選擇不同材料及材料加量，使鉆井液具有通用性，適用于渤海油田大面積推廣使用。

根據大量室內試驗，確定了處理劑綜合最優加量，最終根據目標作業區塊特點確定水基鉆井液BIODRILL A體系的基本配方為：海水+2～3 kg/m3Na2CO3+2～3 kg/m3NaOH+2～5 kg/m3PF-BIOVIS+10～20 kg/m3PF-FLOTROL+1～5 kg/m3PF-PAC-LV+4～6 kg/m3PF-BIOCAP+100～120 kg/m3NaCl+30～50 kg/m3PF-BIOTROL+20～40 kg/m3PF-BIOLUBE +根據需要加石灰石/重晶石調節比重。

2 室內評價

2.1 基礎性能

按照基本配方配制BIODRILL A鉆井液，采用OFI800型流變儀測試基礎性能，結果見表1。由表1可知， BIODRILL A鉆井液老化前后的流變性能非常穩定，且具有低黏(塑性黏度低)、高切(動切力高)的效果，同時動塑比大于0.6 Pa/(mPa·s)，有助于大斜度井和水平井攜砂；另外，老化前后API濾失量均小于4.0 mL，控濾失效果好，且摩擦系數小于0.1，具有良好降摩減阻性能，滿足現場水平井鉆井作業需求。

表1 BIODRILL A鉆井液基礎性能Table 1 Basic properties of BIODRILL A drilling fluid

2.2 包被抑制性能

為了評價BIODRILL A鉆井液對鉆屑的包被抑制能力，分別在體系中加入易水化分散的渤中區塊上部軟泥巖鉆屑和標準HolePlug巖屑，采用滾動回收法評價其抗鉆屑分散的能力，結果見表2。由表2可知，渤中上部軟泥巖和標準HolePlug巖屑在海水中極易分散，回收率不到15.0%，而在BIODRILL A鉆井液中的回收率分別達到91.4%和94.5%，這說明該體系具有很好的包被抑制作用，能夠有效阻止鉆屑水化分散，保持鉆屑完整性，減少固相侵入，為后期循環利用奠定基礎。

表2 BIODRILL A鉆井液包被抑制性能Table 2 Coating inhibition performance of BIODRILL A drilling fluid

2.3 抗泥巖污染性能

為了驗證BIODRILL A鉆井液對渤中上部明化鎮軟泥巖的抗污染能力，向體系中分別加入20%、30%、40%、50%的渤中上部明化鎮軟泥巖粉末(過200目標準篩)，通過測試老化前后流變性能評價其抗泥巖污染能力。同時，為了評價體系可循環利用性能，通過模擬現場離心機對體系細顆粒固相的清除能力，在室內使用離心機對泥巖污染后的鉆井液進行離心分離固相操作。實驗條件：轉速1 500 r/min，時間8 min。收集離心管上層漿液并測試其密度、流變參數、濾失量和膨潤土當量，實驗結果見表3。

由表3數據可以看出：20%軟泥巖污染后體系流變基本無變化，濾失量反而有所降低，一方面是由于無土相體系具備較高的活性固相容量限，低泥巖侵入量對體系影響不大，另一方面是由于泥巖的侵入豐富了泥餅組分及構成，形成了更為致密的泥餅結構，起到了降濾失的作用；隨著泥巖侵入量進一步提高，體系黏切出現一定幅度上漲，但整體流變仍在

表3 不同加量污染土對體系性能影響對比Table 3 Performance comparison of different dosage of contaminated soil

可控范圍內，鉆井液流動性良好，說明該體系抑制性強，抗泥巖污染性能好。同時，受泥巖污染后的鉆井液可以通過離心操作明顯降低密度、黏切和膨潤土當量，為現場鉆井液循環再利用提供可行性參考和指導。

2.4 儲層保護性能

選擇氣測滲透率Kg為200 ～300 mD 的巖心進行巖心污染驅替試驗，實驗結果見表4。由表4結果可知： BIODRILL A 鉆井液的滲透率恢復率Rd>90%，符合《海洋石油手冊》中鉆井液滲透率恢復率≥85%的規定，能夠滿足海上鉆井對儲層保護的要求。

表4 巖心儲層保護實驗評價結果Table 4 Experimental evaluation results of core reservoir protection

2.5 生物降解性能

生物降解性能除受處理劑自身結構的影響外，還與溫度、pH 值、受試物濃度以及與其他物質的作用、其他生物源、生物量等生物條件有關。根據相關資料和室內研究條件選擇生化需氧量(BOD5)、化學需氧量(CODcr)來評價水基鉆井液BIODRILL A的生物降解性能， 結果見表5。由表5可知，BIODRILL A鉆井液體系的生物降解性BOD5/CODcr=25%。按照BOD5/CODcr<10%難降解、10%≤BOD5/CODcr<25%可降解、BOD5/CODcr≥25%易降解的生物降解分級標準[15]，該體系的生物降解性能優異。

表5 BIODRILL A鉆井液生物降解性測試結果Table 5 Biodegradability test results of BIODRILL A drilling fluid

2.6 海洋生物毒性

根據國標GB/T 18420.2—2009《海洋石油勘探開發污染物生物毒性：第1 部分：分級》水基鉆井液的生物毒性容許值規定，在一級海區中，如果生物毒性檢驗結果大于30 000 mg/L ，便符合生物毒性要求。依據國標GB/T 18420.1—2009《海洋石油勘探開發污染物生物毒性檢驗方法：第2部分：檢驗方法》對水基鉆井液BIODRILL A進行了生物毒性檢驗。檢測結果表明，BIODRILL A鉆井液蒙古裸腹溞Ⅰ齡幼體72 h LC50為391 000 mg/L>30 000 mg/L，說明其毒性分級為無毒，符合國家1級海域排放標準。

3 現場應用

可重復利用BIODRILL A 水基鉆井液在渤海油田勘探開發區域已進行46井次現場應用，首次實現用水基鉆井液從淺層(200～400 m)大段軟泥巖地層直接開鉆，表現出優異的流變性、抑制性和抗泥巖污染穩定性，取得了良好的應用效果(以QHD32—6—F1H3井及QHD32—6—F4H3井重復使用效果為例)。

3.1 良好的流變性能

可重復利用BIODRILL A 水基鉆井液在現場應用期間，鉆井液性能穩定，維護處理簡單，達到了安全快速鉆進的目的。對應用的首口井F1H3井，鉆井液從入井后直到完鉆，φ311.15 mm井眼排量在4 200 L/min情況下，至少可過140目篩布，大排量作業實現使用180～200目篩布，期間鉆井液性能穩定(表6)。平均倒劃眼速度4～5柱/h，倒劃眼期間，黏度漲至64 s，密度1.18 g/cm3。旋轉導向鉆進期間，更換180～200目篩布，測定井底返出鉆井液漏斗黏度54～72 s，測定打鉆期間漏斗黏度維穩在48～56 s(一周半時間)，期間排量4 000～4 200 L/min，振動篩不跑漿。

表6 QHD32—6—F1H3井φ311.15 mm井段鉆井液流變性能Table 6 Rheological properties of drilling fluid in φ311.15 mm interval of Well QHD32—6—F1H3

3.2 良好的固相清潔效率

鉆進中BIODRILL A 水基鉆井液流變性能穩定、可調控性能好，不僅得益于體系的強抑制性，還離不開高效的固控手段。體系在應用過程中雖然密度由開鉆的1.10 g/cm3上漲至完鉆的1.18 g/cm3，但利用離心機和振動篩可將密度降低至1.13 g/cm3，固相清除效率可達62.5%。離心機處理后，鉆井液黏切及膨潤土當量均有明顯下降(表7)，為體系的重復再利用提供有效保障。

表7 離心機處理前后鉆井液性能對比Table 7 Performance comparison of drilling fluid before and after centrifuge treatment

3.3 良好的重復利用效果

QHD32—6—F4H3井二開井眼尺寸φ311.15 mm，井深2 406 m，僅使用550 m3新漿，回收使用QHD32-6-F1H3井老漿320 m3；在重復使用前，老漿采用循環池-沉砂池建立循環，使用高速離心機處理老漿，降低密度和固相含量；因老漿過篩性好且性能穩定，故現場采用處理后的老漿與新膠液按2∶1配制開鉆鉆井液，剩余老漿與新配膠液按1∶3混配作為維護膠液調整鉆井液性能；開鉆直接采用140目以細篩布，鉆進過程中，性能穩定(表8)。

表8 QHD32—6—F4H3井φ311.15 mm井段鉆井液流變性能Table 8 Rheological properties of drilling fluid in φ311.15 mm interval of Well QHD32—6—F4H3

3.4 良好的井眼穩定性

QHD32—6—F1H3及QHD32—6—F4H3井均保持了良好的井壁穩定性，QHD32—6—F1H3井完井深2 418 m(垂深1 484.7 m)，井斜90°，套管順利下至2 414.5 m；QHD32—6—F3H4井完井深2 406 m(垂深1 484.7 m)，井斜90°，套管順利下至2 402.5 m；應用該體系所鉆φ311.15mm井眼規則，期間投電石測兩口井井眼擴大率最大19%，后期下鉆及下套管無任何阻掛，固井順利。

3.5 良好的“零排放”效果

渤海油田淺層以往先用海水膨潤土漿深鉆，鉆進至1 200 m轉化為改進型PEC體系，期間海水膨潤土漿無法充分循環利用，大部分會被排掉或者轉運至陸地處理，產生海水膨潤土廢漿約416 m3/井，另外新配改進型PEC體系900 m3/井，實際鉆井液使用量高達1 316 m3/井。而BIODRILL A體系可直接淺層開鉆，全程“零排放”，兩口井累計配漿1 260 m3，連續重復利用量為320 m3，平均單井鉆井液使用量僅790 m3，減少約60%；相對同等井深所用海水膨潤土漿及改進型PEC體系減排60%，顯著降低鉆井液回收壓力和回收處理費用。

4 結論

通過開展渤海油田環保型可循環利用水基鉆井液研究，得到以下認識：

1) 室內評價結果表明：環保型可循環利用BIODRILL A 水基鉆井液LC50值為391 000 mg/L(大于標準30 000 mg/L)，對環境友好無毒害；BOD5/CODcr=25.0%，易生物降解；包被抑制性強，渤中上部軟泥巖和標準HolePlug巖屑滾動回收率分別為91.4%和94.5%；流變性能穩定，20%軟泥巖污染后體系黏切波動很小，且50%軟泥巖污染后仍具有較好流動性，通過離心處理可大幅度降低黏切和活性黏土含量，滿足循環利用要求。

2) 現場應用結果表明：環保型可循環利用BIODRILL A 水基鉆井液體系在渤海油田首次實現用水基鉆井液從軟泥巖淺層(200～400 m)直接開鉆，全程零排放、零置換；該體系過篩性好，φ311.15 mm井眼排量在4 200 L/min情況下，至少可過140目篩布，大排量作業實現使用180目篩布；相對以往所鉆淺層大井眼井，該體系單井可實現減排60%，大幅降低鉆井液回收壓力和回收處理費用。目前已在渤海油田成功應用46口井，通過循環利用，平均單井鉆井液使用量減少約60%，不僅從源頭上減少鉆井液的使用量，而且為渤海油田持續綠色穩產及后續開發提供了有效保障。